1、UV辐射度的准确计量 与量值溯源,1,代彩红中国计量科学研究院 光学所 010-64524813 2009年12月3日,2,内容标题,UV辐射及其在材料老化领域中的应用 UV辐射照度的计量标准与量值溯源 紫外辐射照度计国内量值比对 紫外辐射照度计在使用过程中应注意的问题 快速扫描CCD光谱仪在使用中应注意的问题 国际等效性与测量能力,3,1. UV辐射的应用领域 航空航天（无损检测-UVA等；遥感） 气象与气候变化（太阳紫外辐射的测量与防护等） 医疗卫生（消毒杀菌254nm；保健UVB) 人体健康与动植物研究（ UV光源对人眼、皮肤的有效紫外辐射，UV辐射对动植物的影响） 文物保护（故宫博物
2、院：古建筑场馆中照明光源中的UV辐射致使文物退色、老化） 家用电器安全（紫微光微波炉、灭蚊灯、光催化空气净化器、护眼灯等的有效UV辐射） 公共场所（餐厅、饭店不正确使用UV杀菌灯和灭蚊灯；娱乐场所、酒吧使用的蓝紫色灯管所含UV辐射超标等）,一、UV辐射及其在材料老化领域中的应用,4,光生物光化学（临床检测、化妆品SPF检测UVA，UVB，UVA+UVB） 辐射固化（ UV辐射固化快速、无污染、高效。UVA,UV250nm-410nm） 材料老化（材料的人工加速老化，模拟自然环境，结果重复性好。水冷氙灯340nm;420nm;300nm-400nm；空冷氙灯300nm-800nm；荧光紫外灯31
3、0nm；340nm；UVA；UVB；UVA+UVB）,2. 材料老化试验与计量1）合成材料在国民经济中应用广泛 材料的种类：塑料、橡胶、航空材料、建筑材料（油漆、涂料、密封剂、粘合剂等）、汽车器件与材料、石材、光伏器件、纺织品、油墨、沥青、木材等。 应用领域：航空航天、汽车制造、造船、纺织、太阳能、电子、建筑、印刷、石油、化工、邮电、通信、医疗、工农业、军事等。,2）合成材料的环境可靠性试验意义重大 自然老化 ： 直观、可靠；试验时间长 、效率低 实验室加速老化： 缩短实验时间、效率高、重复性好 据粗略估计，目前国内老化设备生产厂家超过200个 3）人工气候老化试验设备的分类在人工气候加速老化
4、试验中，用来模拟太阳辐射的光源是关键。按照光源的类型可将试验箱分类为： 碳弧灯人工气候老化试验箱； 金属卤素灯老化试验箱 水冷氙灯人工气候老化试验箱； 空冷氙灯老化试验箱； 紫外荧光灯老化试验箱。,碳弧灯人工气候老化试验箱,特点：碳弧灯主要有封闭式碳弧灯和日光碳弧灯两大类，封闭式碳弧灯的光谱功率分布与自然日光差异较大，没有自然日光中的短波紫外辐射，在400800nm波段内的辐射照度低于日光辐射，很难找到使用碳弧灯老化的试验室与自然气候老化之间的相关性。虽然日光碳弧灯的光谱分布有所改善，但是在一些波段仍存在较大的差异。,水冷氙弧灯人工气候老化试验箱,特点：与太阳光谱最为接近，是目前世界上公认的最
5、佳模拟光源；一般采用旋转鼓型试验箱结构；设备庞大，价格昂贵，操作和维护成本较高。,空冷氙弧灯老化试验箱,特点：一般采用平板型试验箱结构；设备相对较小，价格便宜，操作和维护成本低。但是与太阳的光谱匹配度不如水冷氙灯。,荧光紫外灯老化试验箱,特点：通常采用UVA、UVB、UVA+B荧光紫外灯管。荧光紫外灯存在地球表面测量时自然日光中没有的辐射能量，荧光装置可以引起非自然的破坏。装置简单，成本较低，广泛应用于很多领域。,不同模拟光源光谱分布与太阳光谱的比较,4）辐射度计量是产品质量的保障在人工气候加速老化试验中，用来模拟太阳辐射的光源是关键，而不同波段的辐射度测量是控制老化过程的重要参量。辐射度的准
6、确计量和量值溯源是产品质量的保障。光谱不匹配测量误差： 不同类型光源的光谱分布差异很大，对于宽波段辐射度测量仪表来说，由于自身的性能缺陷，如果定标光源和测试光源的类型不一致，将导致大的测试误差。,13,1.UV辐射照度量传体系示意图,(250-2500)nm光谱辐射 亮度照度国家基准,紫外辐射照度标准装置,二、紫外辐射照度的计量标准与量值溯源,14,2. 紫外辐射照度工作基准技术改造 工作基准建立时间：1986年 技术改造时间：2006-2008年 国家质检总局项目 技改内容：更新工作基准的核心及附属设备,提升测量能力,扩展测量波段,改善测量不确定度 改善国际CMCs测量能力，新增4项，提升3
7、项； 改善17025测量能力，新增8项，提升3项,15,3. 新的紫外辐射照度工作基准装置照片,入射角=10时，余弦误差0.1%； 入射角=30时，余弦误差1.3%； 入射角=60时，余弦误差4.0%。,16,5. 技改前后，紫外辐射照度工作基准测量能力对照表,17,18,4. 建立老化领域的辐射度标准装置,1).建立水冷氙灯光谱辐射照度测试标准装置及量值溯源系统测量不确定度：U=(2.5-3.1)%(k=1)形成的校准能力：4.5KW和6.5KW水冷氙灯的校准工作（340nm, 420nm, 300400nm, 300800nm以及2502500nm波段内的任意光谱或积分辐射照度）。辐射计的
8、校准工作。波长范围：340nm, 420nm, 300400nm, 300800nm以及2502500nm波段内的任意光谱或积分辐射照度。,19,2). 建立空冷氙灯光谱辐射照度测试标准装置及量值溯源系统测量不确定度：U=(2.7-3.2)%(k=1)形成的校准能力：用于空冷氙灯老化试验箱的紫外辐射计的校准工作。波长范围：340nm, 420nm, 300800nm以及2502500nm波段内的任意光谱或积分辐射照度。,20,3).建立荧光紫外灯光谱辐射照度测试标准装置及量值溯源系统测量不确定度：U=(2.5-2.6)%(k=1)形成的校准能力： 用于荧光紫外老化试验箱中紫外辐射计的校准工作。
9、波长范围：310nm，340nm，UVA(315400nm)，UVB(280315nm)，UVA+B(280400nm). 。,21,4）研制老化领域专用辐射照度量传仪表 探测器的可选波长范围：340nm、420nm、300800nm、300400nm、300800nm、310nm、340nm、UVB（280315nm）、UVA（315400nm）、UVA+B（280400nm）。,22,1. 参加比对的单位主导实验室：中国计量科学研究院NIM参加实验室：15个 （湖南省计量测试技术研究院中途退出） 中国测试技术研究院 北京市计量检测科学研究院 上海市计量测试技术研究院 河北省计量科学研究所
10、江苏省计量科学研究院 山东省计量科学研究院 浙江省计量科学研究院 辽宁省计量科学研究院 广东省计量科学研究院 苏州市计量测试研究所 深圳市计量质量检测研究院 沈阳飞机工业（集团）有限公司 北京师范大学光电仪器厂 杭州远方光电信息有限公司 中国建筑材料科学研究总院石英与特种玻璃研究所,三、紫外辐射照度计国内量值比对(2008),23,2. 比对样品 紫外辐射照度计UVA1(320nm-390nm) 2台波长范围：320nm-390nm，峰值波长p：360nm5nm 紫外辐射照度计UVC(253.7nm) 2台波长范围：253.7nm，峰值波长 p:253.7nm1nm，峰值半 高宽度10nm,3
11、. 比对内容在实验室自备光源的辐照下，采用比较测量法，对比对紫外辐射照度计的紫外辐射照度进行校准（UVA型、 UVC型），给出比对紫外辐射照度计的修正因子。 4. 比对判据-En值,x-参比实验室的测量结果 X-比对参考值（主导实验室测试结果） Ulab-参比实验室的测量不确定度（k=2） Uref-比对参考值的测量不确定度（k=2）,判定标准： En1时，比对结果不可接受。,24,5. UVA1比对样品-比对结果,25,UVA1比对样品-比对结果的一致性分析,26,6. UVC比对样品-比对结果,27,UVC比对样品-比对结果的一致性分析,28,四、紫外辐射照度计在使用过程中应注意的问题,仪
12、器的性能指标差异 仪器的使用与保存 仪器的操作 仪器的量值溯源 漫射器的角度响应特性 光谱不匹配测量误差,29,1. 仪器的性能指标差异,紫外辐射照度计的性能指标包括：波长响应范围，峰值波长，带外杂光，角度响应性能（余弦误差）、非线性、稳定性等。,1）波长响应范围起始波长：300nm，310nm，315nm，320nm。截止波长：390nm，400nm。峰值响应波长：多为365nm，也有350nm，352nm，360nm。如果仅测量单一365nm特征谱线则影响不大，但是当测量光源的光谱分布在响应波长两端也有时，就会造成较大的偏差。,30,2）仪器的稳定性,新研制的仪器没有进行稳定性考核及推向市
13、场；旧仪器连续使用20多年，出现老化现象；有的Si探测器出现严重的非线性，需要更换Si探测器；有的探测器经过严重撞击，自己拿胶随意粘合；有的探测器滤光片出现很严重的霉斑，霉斑所占有效面积超过70%；仪器的邮寄运输可能导致性能发生变化。,2. 仪器的使用与保存,没有按照检定规程操作，工作环境湿度太大，导致滤光片发霉或峰值漂移；探测器的接收面被污染（尘土，或手上的油污），影响仪器的量值。尤其是UVC探测器，油污严重影响仪器的测量结果。,出现严重水渍的标准探测器,APMP亚太比对中比对样品-滤光片严重发霉,在APMP组织的“UVA探测器照度响应度”比对中，两个比对样品均出现严重的霉斑。NIM发现后通
14、知主导实验室，经过清洗处理后重新标定。,31,测量通道与探测器是否匹配：有的仪器佩带多个不同或相同波段的探测器，每个探测器必须在相应的通道使用和定标。已发现有些用户在使用仪器时，没有按照说明书或操作说明进行，多个探测器均在同一通道使用，或者是在错误的通道使用，必然导致错误的测量结果；暗电流是否正确扣除：有些仪器在无光照条件下会产生暗电流，在测量时必须扣除。扣除时还应注意暗电流的正负号。,3. 仪器的操作,4.仪器的量值溯源,受限于制造工艺与工作环境的影响，紫外照度计的稳定性远不如可见光仪表，示值年变化率低于10%的仪表即为不错，有些仪器的示值误差高达百分之几百：为确保测量结果的准确可靠，应定期
15、到计量部门进行量值溯源。,32,建立余弦特性测试装置，对市场上常用20种紫外辐射照度计的余弦特性进行调查分析。,5. 角度响应特性(余弦误差),UVA1紫外辐射照度计（15种）SPECTRONICS CORPORATION：DSE-100X-DIX-365（磨砂石英玻璃）SOLAR LIGHT：PMA2100-PMA2110-UV-A（球冠型海伦漫射器）International Light：ILT1400-A-XRL140B（玻璃漫射器）RX-003-SX-365（磨砂石英玻璃）USHIO：UIT-101（磨砂石英玻璃）ORC：UV-MO2-UV-35（磨砂石英玻璃）MARKTEC ：UV-
16、2500（玻璃）K+D Flux-Technic：J221（无漫射器）LT（Lutron）：UVA-365HA（海伦漫射器）NIM：SUV-1-A（磨砂石英玻璃）北师大：UVA-365（PTFE漫射器）北师大：UVA-365（乳白玻璃漫射器）杭州远方：UV-2000Z-CIE-UVA（石英玻璃漫射器）NIM：UV-430（海伦漫射器）NIM：SUV-6T-A（海伦漫射器）UVC紫外辐射照度计（5种）北师大：UVB-254（PTFE漫射器）SOLAR LIGHT：PMA2100-UV Germicidal-PMA2122（磨砂石英玻璃）中国建筑材料科学研究院：UVR-254（ZG-4B）（透明玻
17、璃）中国计量科学研究院（NIM）：SUV-5-C（海伦漫射器）上海市嘉定学联仪表厂：ZDZ-1 UVC METE,33,UVA1紫外辐射照度计的角度响应特性比较,34,UVC紫外辐射照度计的角度响应特性比较,35,结论：商业型紫外辐射照度计的角度响应特性差异较大。对于UVA型紫外辐射照度计，在10入射角度，余弦误差的变化范围为0.1%10%；在30入射角度，余弦误差的变化范围为0.8%52%；在60入射角度，余弦误差的变化范围为1.8%60%。对于UVC型紫外辐射照度计，在10入射角度，余弦误差的变化范围为0.3%14%；在30入射角度，余弦误差的变化范围为4.2%74%；在60入射角度，余弦
18、误差的变化范围为19%92%。,实际应用时，可能带来较大测量误差的情况：大面积发光面，近距离测量时可能导致大的测量误差。余弦误差取决于光源的尺寸与测量仪器的角度响应特性。 应用：无损检测、辐射固化等大面积光源近距离测量；紫外灯形状差异：圆盘型、H型、椭圆型和U型。医疗卫生部门，1m杀菌灯近距离测量。,36,实验： 采用黑光型高压汞灯定标两台不同性能的紫外辐射照度计，再用定标后的紫外辐射照度计分别测试黑光型高压汞灯、CHG-200紫外光源、氙灯、溴钨灯在特定条件下的紫外辐射照度。测试结果与光谱辐射计的测试结果（标准值）相比，计算相对误差。,6. 光谱不匹配,37,实验结果：,结论：对于同一紫外仪
19、表，测试光源不同，测试误差不同。对于不同的紫外仪表，相同的测试光源，测试误差不同。,38,文献报道,39,原因分析：光谱不匹配误差是由于定标光源和测试光源的光谱分布不一致导致的。光谱不匹配误差还与所使用紫外辐射照度计的性能有关。因此，虽然定标光源和测试光源一样，但是采用不同性能指标的紫外辐射照度计会导致不同的测试误差。在已知光源相对光谱分布和探测器的光谱响应度时，可以采用数学的方法对误差进行修正。,生产厂家、计量单位、用户三方采用的定标或测量光源的类型不一致（光谱分布差异大），仪器性能不完善，有可能导致百分之几-百分之几百的测量误差。 结论：在量传和检测过程中，校准紫外光源和被测紫外光源光谱辐
20、射功率分布的一致性对结果具有重要影响。为保证量值传递的准确和一致，应该进一步统一和规范辐射源。,应对措施：建立多种类型紫外光源计量标准与量传体系。,40,当前，CCD快速光谱仪由于体积小、价格低、采集速度快、便于携带等众多优点，在各应用领域迅速得到普及。作为计量部门，在使用CCD快速光谱仪测试紫外光源时应特别注意：大多数紫外光源均含有线谱，由于使用不当，很容易造成百分之几百分之几百的测试误差。,CCD光谱仪存在的固有缺陷：采样间隔、测量带宽、非线性、稳定性等。,五、快速扫描CCD光谱仪在使用中应注意的问题,41,分别采用0.1nm,0.2nm,0.3nm,0.4nm,0.5nm.1nm采样间隔
21、对汞灯的线谱在364367nm进行采样积分，测试结果的误差从-1.67%到64.33%. （测量带宽：0.415nm）,1）采样间隔的影响,42,分别采用0.3nm,0.4nm,0.5nm单色仪狭缝对汞灯的线谱在364367nm进行采样积分，测试结果的误差为-0.28%到-0.52%.测试时使用的双光栅单色仪，焦距0.67m；色散：0.83nm/mm,2) 测量带宽的影响,43,大多紫外光源均含有线谱，相对于平滑分布，其峰值往往很高，测量时容易出现非线性。,3) 非线性的影响,国际气象组织WMO已发表明确声明：在进行紫外光谱辐射度测试时，不建议采用CCD型光谱仪。,4) 输入光学系统的影响,大
22、量CCD光谱仪均采用光纤或光导作为入射光学系统的一部分。光纤和光导的弯曲程度可能影响光辐射接收，甚至能够改变光源的光谱分布。 定标后的光纤几何状态不固定，直接影响测试结果的准确性以及仪器的长期稳定性。,44,1.国际关键比对-光谱辐射照度（International key comparison of spectral irradiance CCPR-K1a）,在紫外波段250nm-400nm，NIM值与国际参考值之间的一致性优于 1.2%.,六、国际等效性与测量能力,45,2. APMP比对结果：UV365 和UV365照度响应度（两项参数排名第一）,46,3. 国际CMCs测量能力-紫外辐射照度 NIM,新增四项,CMCs: Calibration and Measurement Capabilities of NMIs,47,4. 国际CMCs测量能力-光谱辐射照度 NIM,提升三项,48,5. 紫外辐射照度工作基准能力提升,49,6. 17025中的紫外辐射照度项目及测量能力,新增8项，提升3项测量能力,ISO/IEC17025：1999检验和校准实验室的能力的通用要求 ( 是在ISO/IEC指南25和EN 45001基础上产生的。包含了测试和校准实验室为证明其按质量体系运行、具有技术能力并能提供正确的技术结果所必须满足的所有要求。 ),50,谢谢！,
